Khám phá nhà máy sản xuất Lexus LFA (Kỳ I)

Lexus LFA là mẫu xe thể thao đắt tiền nhất mà Toyota và Lexus từng sản xuất. Quá trình phát triển mẫu xe này kéo dài tới 10 năm.

Nghệ thuật chế tác từ sợi carbon

Trong suốt quãng thời gian đó, ngoài các vấn đề kỹ thật, đội ngũ phát triển LFA còn nhiều lần đối mặt với việc dự án bị Toyota xóa sổ. Ngày nay, 500 chiếc Lexus LFA sản xuất theo kế hoạch đã bán gần hết. Khám phá phân xưởng sản xuất siêu xe này mới biết được vì sao nó có giá bán lên tới 375.000 USD.

Haruhiko Tanahashi, Giám đốc kỹ thuật dự án LFA đón khách tại cửa phân xưởng. Đằng sau một cánh cổng garage không thật sự nổi bật ở nhà máy tại quận Motomachi, Yokohama,là xưởng sản xuất mẫu siêu xe thể thao Lexus LFA. Ở đây, 170 nhân viên bao gồm cả nam và nữ đang miệt mài bám theo một dây chuyền sản xuất xe. Nhiệm vụ của họ là: làm thế nào để tạo ra một chiếc xe siêu nhanh, siêu nhẹ và an toàn.

Trước đây, cánh cửa này hoàn toàn đóng đối với báo giới. Phóng viên của một tạp chí tại Nhật đã may mắn được mời đến nhà máy này vào năm 2010, nhưng khi ấy xưởng sản xuất LFA vẫn còn đang ở giai đoạn sắp xếp để chuẩn bị đi vào sản xuất. Sau khi phân xưởng này hoạt động vào cuối năm 2010, việc tham quan nhà máy này bị giới hạn, chỉ dành cho một số ít các trường hợp đặc biệt. Và để bước vào bên trong phân xưởng này, người ta phải bỏ ra một số tiền trao tay kha khá. Ngày nay, khi mà số lượng giới hạn 500 chiếc Lexus LFA gần như đã bán hết, qui định nghiêm ngặt này mới được nới lỏng. Đó là điều kiện để thế giới bên ngoài hình dung được quá trình sản xuất chiếc siêu thể thao đắt nhất mà Toyota và Lexus từng phát triển, qua chuyến khám phá của Thetruthaboutcars.com.

Từ một quán bar

Giữ vị trí giám đốc kỹ thuật của phân nhánh Lexus, ông Haruhiko Tanahashi đồng thời cũng là “cha đẻ” của mẫu xe LFA. “Có lần tôi cùng với cấp trên của mình ngồi trong một quán bar ở Hokkaido”, Haruhiko Tanahashi nhớ lại, “Tôi đã kể với sếp về giấc mơ của mình rằng tôi muốn tạo ra một chiếc siêu xe thể thao”. Tetsuo Hattori khi ấy là giám đốc kỹ thuật của Toyota Motor Corporation (TMC) đã phản hồi lại rằng “tại sao không?”

Ngày 10/2/2000 Tetsuo Hattori chấp thuận nghiên cứu về một chiếc xe thể thao thực thụ. Đó là cột mốc đầu tiên trong nhật ký của Tanahashi về quá trình phát triển mẫu Lexus LFA. Viết thành từng câu vắn tắt trong một bảng Excel, Tanahashi ghi lại thời kỳ, từ việc thai nghén, khai sinh cho đến từng bước phát triển cụ thể của giấc mơ này.

Một năm sau cuộc gặp tại quán bar ở Hokkaido, đội ngũ thực hiện dự án LFA đến Shibetsu, nơi có đường thử nghiệm của Toyota, cùng với một chiếc xe mẫu đầu tiên để chạy thử trong thời tiết lạnh giá. Bản xe mẫu này được làm từ hợp kim nhôm, và loại hợp kim này vẫn được lựa chọn cho đến năm 2005. Nhóm lần đầu tiên xem xét đến chất liệu carbon sau khi thực hiện dự án chạy thử một chiếc McLaren F1 (có chassis liền khối làm từ carbon). Tuy nhiên, Tanahashi vẫn quyết định gắn bó với hợp kim nhôm vì ông biết rõ vật liệu này hơn.

Đến tận năm 2005, dự án của Tanahashi vẫn được giữ kín. Đó cũng là dự án thường xuyên chịu áp lực hủy bỏ. “Vào các dịp cuối năm, TMC luôn có một đợt tổng kết lại các hoạt động”, Tanahashi nói trong lúc nhấc gọng kính. “Và mọi năm, lần nào chúng tôi cũng như sắp bị đá xuống vực. Mẫu xe thể thao này thường xuyên nổi bật trong danh sách các dự án cần phải xóa sổ”.

Cực kỳ đắt đỏ và không hứa hẹn mang lại lợi nhuận khiến dự án này trở thành cái gai mà không một nhà điều hành nào có thể chịu đựng được.

LFA tồn tại được chỉ vì vớ lấy được một vị cứu tinh trong số các lãnh đạo cao cấp của Toyota khi ấy. “Thời khắc đã đến”, Tanahashi nói, “Toyota vào lúc đó tăng trưởng ổn định và rất thành công”.

Quyết định chuyển sang vật liệu carbon

Mùa xuân năm 2005, Tanahashi phải đối mặt với một quyết định khó khăn. LFA concept năm đó được giới thiệu tại triển lãm Detroit Motor Show, nơi mà mẫu xe này đã tạo ra sự ngạc nhiên lớn. Chiếc xe sau đó được thử nghiệm tại đường đua Nurburgring ở Đức với kết quả tốt và đến rất gần với phiên bản cuối cùng.

Tuy nhiên, LFA đến lúc đó vẫn được chế tạo từ hợp kim nhôm. Trong khoảng thời gian này, vật liệu carbon gia cường (CFRP) được sử dụng rất ít ỏi cho một vài chi tiết, ngay cả trên những chiếc xe đắt nhất thế giới. Tanahashi lúc ấy không phản đối việc sử dụng CFRP cho các panel thân xe, nhưng ông vẫn muốn trung thành với hợp kim nhôm.

LFA sau đó được đưa trở lại đường đua Nurburgring, chạy thử trên cung Nordschleife. Sau chuyến chạy thử, yêu cầu đặt ra là chiếc xe cần phải nhanh hơn nữa, đồng nghĩa với việc phải giảm khối lượng xe, nhưng Tanahashi không còn lựa chọn nào khác. Nếu chế tạo chiếc xe phần lớn bằng CFRP thì có thể giảm được 100kg, nhưng CFRP là rất đắt, hơn nữa thay đổi sang loại vật liệu này đồng nghĩa với việc gần như vứt bỏ toàn bộ công sức nghiên cứu nhiều năm trước đó. Và trên hết, CFRP vẫn là một ẩn số lớn.

Thật ra từ năm 2003, nhóm phát triển sự án đã từng nghiên cứu CFRP. Kết quả ban đầu cho thấy vài hứa hẹn, nhưng không nhiều. Chừng đó không đủ để Tanahashi mạo hiểm đánh đổi lấy toàn bộ các kết quả có được với hợp kim nhôm. Tuy nhiên, ngay khi ấy, điều bất ngờ đã xảy đến.

“Ông Okamoto lúc ấy vỗ vai tôi và bảo, xử lý nó đi, chỉ cần bắt tay với sợi carbon”, Tanahashi nhớ lại.

Kazuo Okamoto, khi ấy là Giám đốc R&D của Toyota còn khiến Tanahashi bất ngờ hơn nữa. “Ông ấy không chỉ bảo chế tác chiếc xe phần lớn bằng CFRP, mà còn khuyên tôi nên đem tất cả quy trình sản xuất CFRP về nội bộ toàn tập”. Toyota không giống với nhiều công ty khác, như cách mà Tanahashi giải thích, “văn hóa của Toyota là đem tất cả các quy trình quan trọng về nội bộ”.

Điều này cũng gây không ít lo lắng cho Tanahashi. CFRP là một công nghệ còn mới mẻ, bí quyết công nghệ cũng rất ít ỏi ngay cả các công ty chuyên về lĩnh vực này cũng phải bỏ ra rất nhiều tiền để có được các bí quyết đó. Vậy mà Tanahashi lại được khuyên là phát triển công nghệ này ngay trong tập đoàn.

Thời gian là tiền bạc

Tanahashi đã tìm mọi cách để xoay sở. Ông đã trao đổi với các kỹ sư của Fuji Heavy Industries về tình huống khó xử của ông, hầu hết họ đều bảo rằng đây là kế hoạch điên rồ. “Các chuyên gia thường mất tới 10 năm để nghiên cứu, nhưng chúng tôi phải làm tất cả điều đó trong một năm”, Tanahashi nhớ lại.

“Vật liệu lý tưởng để chế tạo thân xe phải vừa rất cứng nhưng cũng phải rất nhẹ, nhưng thông thường các yếu tố này lại mâu thuẫn nhau. Nếu bạn muốn vừa bền cứng vừa nhẹ, thì bạn không có lựa chọn nào khác ngoài CFRP”. Tuy nhiên, nghĩ đến loại vật liệu này sẽ lập tức phát sinh một thách thức to lớn khác, đó là chi phí.

Composite sợi carbon gia cường CFRP là một trong những vật liệu đắt đỏ nhất được sử dụng trên ôtô. Không phải vì các thành phần được sử dụng để tạo nên CFRP quá hiếm, mà vì các chi tiết làm bằng CFRP mất rất nhiều thời gian để sản xuất. Một máy dập có thể tạo ra một chi tiết kim loại trong vài giây, nhưng chi tiết tương tự nếu được làm bằng CFRP có thể mất đến cả ngày. Nồi hấp, một chiếc buồng áp suất khổng lồ bên trong phân xưởng LFA, là cỗ máy duy nhất chạy ngày chạy đêm, không ngừng nghỉ, tuy vậy, nhưng mỗi ngày nó cũng chỉ đáp ứng được cho một chiếc xe.  

Thời gian là tiền bạc, và CFRP thì lại ngốn quá nhiều thời gian. Ngay cả một nhà máy sản xuất ôtô cỡ trung cũng có thể cho ra lò 1.000 nồi hấp cùng với 1.000 bộ khuôn là điều mà không ai dám nghĩ tới.

Bước vào khu vực sản xuất CFRP của phân xưởng LFA sẽ thấy ngay điều này. Ngay trước cửa phòng sạch được dùng để sản xuất các bộ phận cứng nhất của LFA, tất cả những ai chuẩn bị vào bên trong đều phải mang kín quần áo bảo hộ, che chắn, từ giày, áo, chụp đầu và hút bụi… không phải để bảo vệ người tham quan mà để tránh các chi tiết CFRP đang được sản xuất trong căn phòng này khỏi bụi bẩn.

Từ việc không có bất kỳ kinh nghiệm nào về kỹ thuật xử lý và chế tạo các chi tiết CFRP, Toyota sau 10 năm nghiên cứu triển khai dự án Lexus LFA nay đã sở hữu trong tay một bí quyết công nghệ ưu việt mà trên thế giới không nhiều hãng có được.

Nguyên lý sản xuất cơ bản của CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) thật ra không mới. Thậm chí có trước cả kim loại. CFRP là một dạng composite, làm từ hai loại vật liệu mới bền chắc hơn. Rơm rạ nhào trộn với đất sét là một dạng composite, hay hiện đại hơn như bê tông cũng được xem là composite. Trong trường hợp CFRP thì các sợi carbon được kết hợp với nhựa epoxy. Đôi lúc người ta có thể gọi CFRP là vật liệu nhựa được gia cường bằng sợi carbon, tuy nhiên, sản phẩm cuối cùng có đặc tính khác xa so với nhựa thông thường mà đa số biết đến.

CFRP có tỷ số độ cứng và độ bền trên khối lượng vượt trội. Tuy nhiên CFRP cũng đồng nghĩa với chi phí sản xuất đắt đỏ. Loại vật liệu này vì thế chỉ được dùng để sản xuất xe đua, nơi mà tiền bạc không phải là vấn đề.

Về cơ bản, có ba cách khác nhau để tạo nên vật liệu VFRP: Pre-preg, Resin Transfer Molding (RTM) và Sheet Molding Compound (SMC), lần lượt theo thứ tự giảm dần của độ bền cũng như chi phí sản xuất. Lexus LFA sử dụng cả ba phương pháp này, tùy thuộc vào đặc tính cần có của chi tiết.

Các chi tiết có độ bền và cứng cao nhất trên LFA được sản xuất bên trong phòng sạch. Phòng sạch không chỉ không có bụi mà nhiệt độ phòng cũng luôn được duy trì ở mức 22 độ C và độ ẩm ổn định thường xuyên 60%. Bước qua cánh cửa chắn khí để vào căn phòng là khu vực xử lý Pre-preg. Đây là phương pháp tạo ra các chi tiết có độ bền cao nhất nhưng cũng đắt nhất.

Tất cả các tấm sợi carbon thấm nền nhựa mua từ các nhà cung cấp đều được cất giữ trong phòng lạnh trước khi đem ra sử dụng. Mỗi tấm đơn như vậy bao gồm hai lớp sợi, thớ sợi carbon trong mỗi lớp được đặt theo các hướng chéo nhau để tăng độ bền. Tại khu vực xử lý, các tấm này được máy hút định vị trên chiếc bàn lớn. Một đầu bút điều khiển bằng máy tính sẽ viết lên bề mặt tấm các mã số linh kiện. Sau đó, đầu bút được tự động thay thế bằng một mũi cắt. Trong vòng 20 phút, tấm carbon bị chia ra thành từng mảnh ghép rời.

Cách đó không xa, một nhóm công nhân đang thực hiện các công đoạn trong quy trình sản xuất phần khung của bảng điều khiển dưới sự giám sát chặt chẽ của một đốc công.

Với đôi găng tay trắng, các công nhân này sắp xếp 335 tấm carbon rời lên một chiếc khuôn. Thỉnh thoảng họ sử dụng một thiết bị như máy sấy tóc để uốn nắn những tấm carbon này theo hình dạng mong muốn, và để tránh bụi len lỏi giữa các lớp.

Giống như một chiếc bánh cưới khổng lồ, 13 lớp carbon Pre-preg được lắp ghép cẩn thận thành một chi tiết mà sau đó sẽ là khung của bảng điều khiển. Mỗi lớp được liên kết với nhau bằng màng urê trộn nhôm và cố định bằng các đinh tán.

Mỗi bộ khung bảng điều khiển bao gồm 335 mảnh carbon rời này đều được đánh dấu trong bảng hoàn công. Bảng hoàn công phải có chữ ký của quản đốc, và sau đó được ký thêm một lần nữa bởi người kiểm soát chất lượng. Khi hoàn thành, chi tiết này được bọc kín trong một màng chân không đặc biệt, rồi đem ủ. Việc bọc kín và rút chân không khiến chi tiết ép sát vào khuôn. Quá trình ủ diễn ra trong nồi hấp khổng lồ bên cạnh phòng sạch, có áp suất 2 bar (gấp đôi áp suất khí quyển) và nhiệt độ duy trì ổn định 65°C, thời gian ủ kéo dài 8 tiếng nữa, cho đến khi chi tiết đạt đến trạng thái liên kết hoàn hảo.

Nồi hấp được sử dụng gần như không ngừng nghỉ, đây là điểm dừng chân duy nhất trong quá trình chế tạo các chi tiết cho LFA lại kéo dài tới 2 ca làm việc. Suốt cả ngày, khung bảng điều khiển và một số các chi tiết khác được “nướng” bên trong ống áp suất này, đến đêm, công đoạn “nướng” mới hoàn thành. Đây là lý do khiến tốc độ sản xuất Lexus LFA chỉ đạt một xe mỗi ngày, khả năng thu lợi từ dự án bị giới hạn khiến người ta dễ dàng xóa sổ nó. Nếu so sánh, trong thời gian một bảng điều khiển CFRP được sản xuất, các loại máy thông thường có thể “phun” ra 1.000 bảng điều khiển bằng nhựa, có độ cứng kém hơn nhiều, nặng hơn và chi phí rẻ hơn nhiều. Sự hoàn hảo bao giờ cũng có cái giá của nó!

Rối rắm như cửi dệt

Cởi bỏ bộ đồ bảo hộ trắng, khách tham quan được đeo một chiếc mặt nạ. Nhưng lần này là để bảo vệ chính họ. Hít phải bụi carbon siêu nhỏ có thể gây tổn hại đến sức khỏe, mà ở khu vực tiếp theo, khách tham quan sẽ tiếp cận một cỗ máy kỳ lạ, thường phát tán các hạt bụi như vậy. Nếu từng tìm hiểu lịch sử của Toyota, nhìn thấy cỗ máy này người ta có thể liên tưởng ngay đến chiếc máy dệt mà Toyota đã phát minh vào năm 1906, nay đã trở thành một di sản của họ (xuất phát điểm của Toyota là một công ty dệt). Nhưng thay vì dệt vải, máy “dệt” hiện đại này đang tết những sợi carbon, và rất có thể sẽ là một phần quan trọng trong tương lai của Toyota.

Cỗ máy này được gọi là máy tết 3 chiều. Các nhân viên của Toyota cho biết, trên thế giới hiện nay chỉ tồn tại hai máy như vậy. Một thứ giống như chiếc bít tất đen và dài chạy tới lui 6 lần, trong khi sợi carbon được kéo ra từ 144 cuộn ở xung quanh, đó là quá trình tết carbon lên một khuôn sáp. Lớp chồng lên lớp và đan chéo vào nhau cho đến khi khuôn sáp được phủ kín 12 lớp.

Tết xong, chi tiết được đưa vào máy dập định hình bởi bai mặt khuôn, nhựa nền được bơm vào, gia nhiệt và nén bằng áp suất. 8 giờ sau đó, khuôn sáp tan chảy. Lúc này, kỹ sư trưởng Tanahashi có thể cầm và kiểm tra chi tiết liền khối được tạo thành bởi 12 lớp carbon. Mang mã số T3-3RH, đây sẽ là cột A của chiếc Lexus LFA, một trong những loại cột A mảnh, nhẹ và bền nhất trong nghành công nghiệp ôtô.

Chống va đập và các thử nghiệm

Bước qua cánh cửa tiếp theo là một chiếc máy kỳ lạ nữa. Thông thường, kỹ thuật dệt chỉ thực hiện theo 2 chiều, cỗ máy này lại có thể dệt theo 3 chiều. Nó đan kết 32 lớp sợi carbon chồng lên nhau với các góc lệch nhau, thành một tấm mỏng. Các tấm carbon này đã được gia cố bằng cách khâu chúng lại với nhau như khâu các lớp chăn. Tuy nhiên, cách thức này có thể gây yếu tấm “chăn” dọc theo các đường chỉ vì lỗ đục của kim khâu. Cỗ máy dệt này tránh được điều đó bằng cách dệt theo cả 3 chiều. Bổ sung thêm nhựa nền, tấm chăn carbon này biến đổi thành chi tiết chống va đập của LFA. “Đây là chi tiết để lắp cản trước”, ông Chihura Tamura, Phó giám đốc kỹ thật sự án LFA nói, và hy vọng chi tiết này sẽ không bao giờ phải chứng minh đặc tính thật sự của nó, vì nó đóng vai trò là hộp chống và đập. Các lớp carbon theo phương thẳng đứng đem lại cho chi tiết này khả năng hấp thụ năng lượng va chạm vượt trội, và là một trong những chi tiết quan trọng nhất trong toàn bộ kết cấu hấp thụ năng lượng va chạm trên ôtô.

Được lắp ở phía trước khung xe, chi tiết này có nhiệm vụ “đợi” các vụ tai nạn xảy ra. Nếu có va chạm, hộp chống va đập hấp thụ và phân tán bớt động năng trước khi các bộ phận của máy móc và người ngồi trong xe bị tác động.

Các loại hộp chống va đập thông thường có thể bẹp dúm trong một vụ va chạm, giống một lon soda bị bóp nát bởi bàn tay chắc khỏe. Hộp chống va đập của LFA không dẹp dúm mà thay vào đó là bị vụn ra. Hình ảnh ghi lại bởi camera siêu tốc trong một cuộc thử nghiệm va chạm cho thấy cách thức mà loại vật liệu này bị phá hủy. Hộp chống va đập vỡ vụn ra thành hàng triệu mảnh nhỏ, và mỗi mảnh cần phải có một năng lượng nhất định để bị tách rời ra khỏi khối. Đó là cách mà chi tiết này giảm thiểu năng lượng va đập và hạn chế thiệt hại cũng như thương tổn.

Ngày ngay, vô số các cuộc va chạm được mô phỏng trên máy tính, và sau đó, để chắc ăn, người ta còn thực hiện hoàng loạt vụ va chạm trên thực tế. Mô phỏng cách thức biến dạng của kim loại là khá đơn giản. Tuy nhiên, với CFRP, các kỹ sư phải vùi đầu vào một loạt các tham số, chất lượng của sợi carbon, định hướng sợi, mật độ sợi, vật liệu nhựa nền được sử dụng, số lớp, góc xếp của từng lớp, phương pháp chế tạo và nhiều yếu tố khác. Trong quá trình nghiên cứu, đầu tiên, đội ngũ LFA chế tạo một mẫu vật liệu nhỏ, thử nghiệm chúng, sau đó sử dụng các đặc tính thu được cho những lần thử nghiệm lớn hơn. “Số lượng các vụ thử nghiệm va chạm với LFA lớn hơn rất nhiều so với các mẫu xe thông thường khác”, Tamura cho biết.

Phương pháp chế tạo khác nhau

Cột A chống đỡ mui ra đời từ máy tết, nhưng hộp chống va đập và nhiều chi tiết CFRP khác của LFA lại được sản xuất bởi một phương pháp khác, có tên là Resin Transfer Molding (RTM) – đổ nhựa nền lên khuôn. Với phương pháp RTM, sợi carbon khô được xếp trên một chiếc khuôn, nhựa nền dạng lỏng sẽ được quết lên lớp sợi carbon khô này. Dưới áp suất 3 bar và nhiệt độ 130 độ C, chi tiết được làm khô, sau đó đem gia công hoàn thiện với máy cắt bằng tia nước áp suất cao.

RTM là phương pháp dễ tiến gần đến khả năng sản xuất đại trà nhất, tuy nhiên vẫn còn một chặng đường dài phía trước. Phương pháp này tiết kiệm được công đoạn xếp lớp Pre-preg nặng nhọc, đồng thời không cần tới nồi hấp khổng lồ. Tuy nhiên, các chi tiết gia công vẫn cần phải được giữ trên khuôn khoảng 8 tiếng để nhựa nền đông cứng, nghĩa là chỉ tiết kiệm được một nửa thời gian gia công.

Phương pháp xử lý thứ 3 được gọi là Sheet Molding Compound (SMC). Trong phương pháp này, các mẫu carbon nhỏ dài khoảng 1 inch được trộn với nhựa nền. Hỗn hợp này sau đó được đổ vào khuôn, gia nhiệt và gia áp. Đây là loại CFRP “bình dân” nhất sử sụng trên LFA. Loại này sử dụng cho một số chi tiết đòi hỏi độ bền chịu lực sau xe, đồng thời là dạng CFRP duy nhất được thực hiện bởi các đối tác bên ngoài nhà máy.

Tổng thời gian để dựng lên một bộ khung cho LFA mất 4 ngày. Cuối ngày thứ tư, thành quả là một bộ khung hoàn thiện thô (chưa sơn) mà trong ngành công nghiệp ôtô vẫn quen được gọi là body-in-white (khung trắng). Tuy nhiên, trong trường hợp của LFA, người ta gọi nó là body-in-black, bởi phần lớn khung của mẫu xe này được chế tạo từ carbon.